含磷阻燃剂/环氧树脂热解产物及阻燃机理分子动力学研究

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阻燃环氧树脂复合材料地开发和使用为环氧树脂(EP)在军民生产生活的广泛应用提供了安全保障。其裂解/燃烧产物和微观反应机理对于研究体系阻燃机理和实际应用具有重要意义。在实验裂解/燃烧过程,产物检测存在二次反应或低于检测限,造成自由基和最终产物统计不完全。反应分子动力学(Reax FF)方法将分子模拟与可描述成断键过程的化学反应力场相结合,为从微观角度研究复杂热解阻燃机制提供了解决方案。基于此,本文采用Reax FF方法从分子水平上研究了含磷阻燃剂阻燃EP的热解过程,探讨不同温度条件影响树脂热解和燃烧产物分布的规律,并从微观上解释EP的微观分解机理。主要内容如下:(1)制备EP样品,并对其热失重(TG)曲线进行了分析。构建合理的交联EP和EP/六-(5-甲基-2-吡啶氧基)-环三磷腈(EP/HMPOP)模型,采用Reax FF模拟方法研究500-3500 K温度下EP和EP/HMPOP的热解过程,包括初始反应路径、主要产物、热解和阻燃机理。EP在不同温度下的C40+质量分数拟合曲线与TG数据非常吻合。EP和EP/HMPOP热解会释放出H2O、CO、CH2O和C2H4等小分子气体,其活化能分别为141.72 k J/mol和116.4 k J/mol,EP/HMPOP的热解反应更容易在较低温度下发生,与报道结果一致。EP的分解是由含有氮或氧原子的键断裂引发的,HMPOP分子并不参与EP的初始分解过程,但HMPOP会裂解生成P·和N·捕捉EP体系的自由基(如H·和含氧片段),增加残炭并抑制EP的进一步分解。HMPOP减少C0-C4片段和CH2O等有害气体的数量。(2)研究化学计量、贫燃料和富燃料条件以及不同温度对EP及EP/HMPOP的燃烧特性影响,分析了O2参与树脂分解的途径以及对小分子产物的分布影响规律。O2浓度对反应速率的影响程度明显弱于温度带来的影响。化学计量和贫燃料条件下,体系内90%以上质量被小分子气体占据,C40+的数量很少,而富燃料条件的燃烧产物会因燃烧不充分而增加。O2并未第一时间参与到EP的初始裂解反应中,但后续反应中会与EP裂解的片段发生反应,并直接促进了C1和C2产物的生成。O2的参与还导致体系活化能降低,使得燃烧反应比裂解反应更容易发生。在贫燃料条件下,HMPOP阻燃效果不明显,仅对C1产物的转化有一定影响。H2O的数量会与体系内的HO2·、O·发生反应而降低。(3)基于Reax FF方法分别研究了磷酸酯类(季戊四醇磷酸酯,PEPA),无机类(聚磷酸铵,APP)以及膦菲类(9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物,DOPO)阻燃剂对EP的裂解和阻燃特性。在相同含磷量条件下,不同类型的含磷阻燃剂表现出不同的阻燃效果。APP、PEPA和DOPO的分解分别是由N-O、P-O以及P-H键断裂引发。添加磷阻燃剂可以有效减少CH2O和CO等有害气体的释放,P元素在热解过程中会偏向生成PO3、PO4或是复杂的P-O-P-O结构,这些结构与碳片段连接形成以P元素为核心的残炭结构。在EP/APP体系内发现了少量的NH2·、NH3、NO、N2产物,这些会在热解反应过程中稀释可燃气体分子从而达到阻燃效果。
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